写下狄拉克方程、预言了反物质存在的保罗·狄拉克因为狄拉克方程而获得了1933年的诺贝尔物理学奖 。 当年 ， 狄拉克在他的诺贝尔奖演讲《电子和正电子的理论》的结束语中 ， 说到：
如果我们接受了正电荷与负电荷关于基本自然规律完全对称的观点 ， 我们必须接受地球（以及整个太阳系）主要由负电子和正质子构成只是一个巧合 。 很有可能有一些星体正好相反 ， 是由正电子和负质子构成的 。 事实上 ， 宇宙中这两类星体可能各占一半 。 这两类星体应该展现出完全相同的光谱 ， 以至于我们现有的天文观测手段完全无法将它们区分开来 。
然而 ， 事实却与狄拉克的猜想大相径庭 。 正如我在《什么是反物质？》一文中提到的那样 ， 如果宇宙中有宏观的反物质结构 ， 那么正反物质之间会有一条边界 ， 而这个边界上就会有大量的正反物质湮灭 ， 进而释放出巨大的能量 。 然而人类并没有观测到这个边界 ， 因此 ， 我们的宇宙很有可能仅由正物质主导组成 。
真的是这样吗？如狄拉克所说的那样 ， 正反物质的光谱应该是一样的 ， 我们在地球上无法直接判断观测到的遥远宇宙深空中天体是正物质还是反物质组成的 ， 但是 ， 宇宙为我们送来了来自宇宙深空的“信使” ， 那就是宇宙射线 。 我们可以在地球上接受的到来自宇宙深空的宇宙射线 ， 科学家们也在地球表面建立了很多探测宇宙射线的实验 ， 并且已经在宇宙射线中观测到了大量的反物质粒子 。 但是 ， 这些反物质粒子真的是从宇宙深处来的吗？
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宇宙射线达到地球大气层时产生的簇射的模拟图
我们知道 ， 地球的表面周围有一层大气层 。 虽然大气层里看似空洞无物 ， 但事实上大气中充斥着各种各样的气体分子 。 来自宇宙的高能宇宙射线在通过大气层的时候 ， 不可避免的会和大气中的气体分子产生撞击 ， 并通过一些高能反应产生新的粒子 ， 这些粒子中既有正物质粒子 ， 也有反物质粒子 。 所以 ， 在地球表面所接收到的反物质粒子并不能说明宇宙射线本身就来自于反物质 。
那么 ， 怎样才能排除大气层的影响对宇宙射线进行观测呢？方法很简单 ， 那就是去太空观测 。 1995年 ， 华裔诺贝尔物理学奖得主丁肇中就提出了在太空建立一个探测暗物质和反物质的粒子探测器的计划 。
1998年 ， 丁肇中带领的团队完成了第一版太空探测器的设计 ， 他们把这个探测器命名为阿尔法磁谱仪（AMS-01） ， 并在当年6月份由发现号航天飞机送上了太空 。
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在航天飞机背部的AMS-01
AMS-01在太空上探测了氦原子核以及它的反粒子的数量 。 因为氦原子核相对比较复杂 ， 如果发现了它的反粒子 ， 那几乎不可能由正物质通过核反应产生的 ， 因此如果反氦原子核被发现 ， 就可以作为宇宙中存在宏观的反物质结构的证据 。 但是 ， AMS-01的结果发现 ， 宇宙空间里的射线中氦原子核有非常多个 ， 但是反氦原子核却一个都没有 。
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AMS-01收集到的正反氦原子核数据的对比图
为了更进一步的研究宇宙中的暗物质和反物质 ， 丁肇中带领的团队又研制出了AMS-01的进化版 ， AMS-02 。 这一次 ， 丁肇中的团队不仅将它送上了太空 ， 还安置在了国际空间站上 ， 这样AMS-02就能长久的在宇宙空间中收集数据了 。 从2011年5月AMS-02被安置到国际空间站上至今 ， 它已几乎连续收集了近十年的数据 。 然而 ， AMS-02的数据仍然表明 ， 宇宙中没有宏观的反物质结构存在 。
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在国际空间站上的AMS-02
那么 ， 这样的观测事实就与狄拉克的假设矛盾了：正反粒子似乎真的并不“完全对称” 。
那么 ， 正反物质之间究竟有多么的不对称呢？
根据宇宙大爆炸的理论 ， 我们的宇宙开始于一个密度和温度都无限高 ， 均匀并且各向同性的纯能量状态 ， 这个状态被称为奇点 。 在如今大多数常见的宇宙大爆炸的模型中 ， 早期的宇宙曾经历了一次暴胀的过程 ， 在这个暴胀的过程中 ， 基本粒子被创造了出来 ， 纯能量转化成了大量高速运动的粒子－反粒子对 ， 而粒子－反粒子对在此期间也通过碰撞不断地创生和湮灭 ， 因此宇宙中此时的粒子和反粒子的数量相等 。 这时的宇宙就像是一锅充满了夸克和胶子以及其他基本粒子的汤 。 此时某一种机制导致了夸克和反夸克的数量出现了细微的差异 ， 随着宇宙进一步的膨胀和冷却 ， 夸克和胶子逐渐组成了像是质子和中子这样的粒子 。 由于此时宇宙的温度已经降低到不足以产生新的质子－反质子对或中子－反中子对 ， 原先产生的正反粒子对大量的湮灭 ， 通过对重子数目和光子数目的比值进行研究发现 ， 在这个过程中只有大约占原先数量十亿分之一的正物质质子和中子被留了下来 ， 而对应的反物质粒子则全部湮灭殆尽 。
而这份不对称是怎么来的呢？
科学家们假设 ， 每一个正物质重子都带有+1的被称为“重子数”的量子数 ， 而每一个反物质重子都带有-1的重子数 。 那么在宇宙大爆炸之初 ， 宇宙的重子数总数应该是0 ， 因为此时正物质与反物质数量应该相等 。 而现在的宇宙 ， 重子数则是一个正数 。 那么如今产生正反物质的不对称的过程就可以等价为破坏重子数守恒的过程 ， 或者说 ， 是重子数产生的过程 。
前苏联的氢弹之父、物理学家萨哈洛夫（Andrei Sakharov ）提出了重子数产生所需要的三个条件 ， 分别是：
(1)、存在一个破坏重子数守恒的过程 。
(2)、存在破坏“电荷共轭变换”（C）不变性和“电荷共轭－空间反演联合变换”（CP）不变性的相互作用 。
(3)、(1)和(2)应该发生在偏离热平衡的状态 。 因为如果宇宙处于热平衡状态 ， 那么重子数的平均值会保持为不变 ， 即为0 。
目前科学家对（1）过程的探索的一个主要途径是探测质子衰变 ， 而代表性的实验是位于日本的神冈/超级神冈实验 ， 这个实验在一个巨大的地下一千米以下的布满探测器深井中 ， 井内灌入了多达五万吨的超纯水 ， 然后探测水中质子的衰变 。 然而 ， 几十年的研究过去了 ， 科学家们还没有收集到哪怕一个质子衰变的事件 。 因此 ， 根据这项实验的结果 ， 质子的平均寿命被认为是在一亿亿亿亿年以上 。 相比之下 ， 宇宙的寿命只有一百多亿年 ， 质子的寿命远超宇宙的寿命 。 所以 ， 破坏重子数守恒的过程仍然需要科学家们的探索 。
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位于日本的超级神冈探测器的内部
而对于（2）过程的探索则主要依靠对撞机实验 ， 比如位于日本的Belle/Belle-II实验和位于欧洲核子研究中心的LHCb实验 。 这些实验已经取得了很多进展 ， 并且已经发现了很多种粒子的在弱相互作用下发生的“电荷共轭－空间反演联合变换”的对称性破坏（CP violation）过程 。 但是 ， 这些CP violation过程的强度仍然远小于产生目前宇宙中正反物质不对称程度的需求 ， 因此 ， 科学家们认为 ， 一定还有另外的新物理的过程会导致CP violation 。
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位于欧洲核子研究中心的LHCb实验
【保罗·狄拉克|为什么物质比反物质多？】因此 ， 科学家对于“为什么物质比反物质多？”这一问题仍然在探索之中 。 不论是对重子数守恒的破坏的研究结果 ， 还是对“电荷共轭－空间反演联合变换”对称性的破坏的研究结果 ， 都没有达到能解释如今宇宙中正反物质不对称的程度 。 但是 ， 有越来越多的理论正在尝试解释这一现象 ， 而未来也需要科学家去设计更精妙的实验去验证那些理论 。
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